第 2 章网络工程理论与技术

第2章网络工程理论与技术 清华大学出版社 ISBN 978-7-302-26755-3

2.1 计算机网络协议层次和位置 • 2.1.1 理论技术基础在网络设计中的作用 • 2.1.2 计算机网络体系结构与协议层次 • 2.1.3 计算机网络协议及协议要素 • 2.1.4 计算机网络协议的格式PDU

2.1.1 理论技术基础在网络设计中的作用 • 网络工程设计和实践是离不开理论指导的 • 结合身边的网络应用，来感受网络设计的基本特点。 • 构成计算机网络的所有网络实体均可以被抽象为两种基本构件： • 称为链路的物理介质和称为节点的计算机设备。

网络分类的依据及网络名称

2.1.2 计算机网络体系结构与协议层次 • 当代计算机网络体系结构按5个层次组织和描述。 • 自顶向下依次为应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。 • 对应每层的网络协议数据单元（PDU）依次为报文、报文段、分组、帧和位流。 • 局域网的体系结构仅涉及到数据链路层和物理层。

2.1.3计算机网络协议（PDU）的格式 • PDU是用二进制语言表示、可以被通信双方彼此理解、有结构的、由二进制数据0或1组成的数据块。

2.1.4 计算机网络协议及协议要素 • 1、语法，即信息格式，协议数据单元(PDU)的结构或格式，包括哪些字段，字段的作用； • 2、语义，某些信息位组合的含义，标识通信双方可以理解的含义； • 3、同步，也称为时序，为完成一次通信所需要的不同PDU之间有操作顺序规程。

2.2 TCP/IP协议参考模型 • 2.2.1 TCP/IP协议的两个要点 • 2.2.2 TCP/IP协议结构 • 2.2.3 网络协议的捆绑

2.2.1 TCP/IP协议的两个要点 • 1、网络的通信要分层次，每个层次只实现一种特定的功能。 • 2、每层之间用“信封”方式把上一层的内容封起来，再加上一些本层的信息，叫做协议包头 • 也称为协议首部，用来告诉网络和目的地的计算机如何处理这个协议包。

2.2.2 TCP/IP协议结构 • TCP/IP协议结构包含4个层次，自顶向下依次为：应用层(Application Layer) ；TCP层(Transport Layer)，也称为运输层；IP层(Internet Layer)，也称为互连网层；网络接口层(Network Interface Layer，NIL)。

2.2.3 网络协议的捆绑 • 物理层与数据链路层，进行网络配置时由网络适配器（网卡）描述。通过网络适配器支持低二层的功能。 • 网络协议层次中的应用层、TCP层、IP层协议包含在操作系统中。

网络协议的安装、设置步骤 • 1、在主机扩展槽中安装网卡 • 2、安装网卡驱动程序； • 3、指定（安装）TCP/IP协议； • 4、绑定网络协议（第一层到第五层）； • 5、用网络命令Ping测试协议安装和配置是否成功。例如，通过ping 127.0.0.1，可以测试本网络节点网络协议栈安装是否正确。

2.3计算机网络中的地址 • 2.3.1 网络地址概述 • 2.3.2 网络地址的使用 • 2.3.3 网络地址之间的转换

2.3.1 网络地址概述 • 计算机网络中的地址与网络协议层次对应 • 在具体应用时，这些网络地址分别包含在对应层次的计算机网络协议中 • 是网络协议数据单元（PDU）中地址字段的内容 • 计算机网络中有4种地址 • 域名地址、端口地址、IP地址、MAC地址

网络中地址与层次的对应 • 在网络体系结构中的第2层及以下层对应的地址为物理地址，第3层及以上层对应的地址为逻辑地址。

2.3.2网络地址的使用 • 访问网络中的节点（计算机网络设备）时，网络寻址最终要通过执行物理地址，才能找到网络中一个节点的物理位置。 • 物理地址（网卡地址）通常固化在网卡的芯片上 • IP地址用来实现不同计算机设备和网络的互连 • 端口地址（端口号）用来标识不同的应用进程 • 域名地址与IP地址相联系，用来标识网络中的一个计算机设备和网络资源的连接位置

2.3.3网络地址之间的转换 • 网络中寻址时需进行地址转换（映射），需要用到地址转换协议，地址转换协议也称为地址解析协议。 • 域名解析协议 • 地址解析协议(ARP) • IP地址与端口地址构成套接字(Socket)，用于标识不同的应用服务进程

2.4 IP地址划分技术 • 2.4.1 IP地址概述 • 2.4.2 有类IP地址 • 2.4.3 特殊IP地址 • 2.4.4 专用IP地址及用途 • 2.4.5 IP层转发分组的过程 • 2.4.6 子网划分技术 • 2.4.7 划分子网的例子 • 2.4.8 无分类编址和变长子网掩码（VLSM） • 2.4.9 路由汇聚技术 • 2.4.10 最长前缀匹配

2.4.1 IP地址概述 • IP地址是一个逻辑地址，也称为协议地址，IP地址标识的是网络中的一个网络连接，之所以称为IP地址，是沿用习惯的叫法。 • 一个IP地址包括网络标识（网络号）和主机标识（主机号） • IP地址的编址技术的发展经历了3个阶段

2.4.2 有类IP地址 • 有类IP地址是将IP地址划分为若干个固定类。IP地址分为A、B、C、D、E共五类，最常用的是A、B、C三类。

2.4.3 特殊IP地址 • IP协议规定全0和全1的值不能用作普通的网络地址或主机地址。 127.X.Y.Z的地址为保留地址，作回路测试用。

2.4.4专用IP地址及用途 • （ICANN）规定了在Intranet内可以使用的IP地址的三个地址范围，称为专用IP地址 • Intranet专用IP地址的三个地址范围是： • A类地址范围10.0.0.0—10.255.255.255，一个A类地址10； • B类地址范围172.16.0.0—172.31.255.255 ，16个B类地址172.16—172.31； • C类地址范围192.168.0.0—192.168.255.255，256个C类地址192.168.0—192.168.255。

2.4.5 IP层转发分组的过程 • 路由器依据路由表中表项的内容确定IP分组的转发，表项的内容主要有两项：目的网络地址；下一跳地址。

2.4.6子网划分技术 • 子网划分是将一个网络分成多个部分。 • IETF在IP地址中增加了一个“子网号字段”，将两级IP地址扩展成三级IP地址。 • 从其它外部网络发送给本单位某个主机的IP分组 • 还是依据目的IP地址的网络号先找到连接在本单位网络上的路由器 • 此路由器再依据网络号、子网号找到目的子网

2.4.7划分子网的例子 • 有一个单位分配一个C类IP地址202.10.23.0，需要为该单位的6个部门划分子网，每个部门的主机数为30台。

2.4.8 无分类编址和变长子网掩码 • CIDR是在变长子网掩码(Variable Length Subnet Mask ,VLSM)的基础上发展起来的

常用的CIDR地址块

2.4.9 路由汇聚技术 • 使得路由表中的一个表项可以表示很多个分类IP地址的路由，这种地址的聚合称为路由汇聚 • 路由汇聚也称为构成超网 • 构成超网时子网掩码的位数在减少 • 而在创建子网时，子网掩码的位数在增加。

2.4.10最长前缀匹配 • 应当从多个匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由，这称为最长前缀匹配，这是因为网络前缀越长，其地址块就越小，路由的目的地就越接近。 • D 和11111111 11111111 11111100 00000000 “与”运算，结果为202.0.68.0/22 • D 和11111111 11111111 11111111 10000000 “与”运算，结果为202.0.71.128/25 • 根据最长前缀匹配规则，应选择的表项是202.0.71.128/25。

2.5 网络互连技术 • 2.5.1 网络互连概述 • 2.5.2 网络互连设备

2.5.1网络互连概述 • 网络互连是通过采用互连协议和互连设备，把不同网络连接起来 • 不同的互连类型需要用到不同的互连设备，不同是互连设备与不同的网络协议层次对应 • 网络互连的类型有： • LAN—LAN（同种与异种）； • LAN—WAN； • WAN—WAN（同种与异种）； • LAN—WAN—LAN； • LAN—大型计算机。

网络互连的类型

网络互连层次模型 • 网络互连时需要遵循的规则 • 要求进行互连的两个网络的第N+1层及以上层的网络协议必须相同 • N层及以下层两个网络的网络协议可以不同

2.5.2网络互连设备 • 有4种互连设备，分别对应不同的网络协议层次，自顶向下依次为：协议转换器(gateway)、路由器(router)、桥接器(bridge)、中继器(repeater)。 • 网络互连设备之间的关系为包含关系。

2.6以太网技术 • 2.6.1 以太网技术概述 • 2.6.2 以太网的帧格式 • 2.6.3 快速、千兆和万兆以太网技术

2.6.1 以太网技术概述 • 以太网(Ethernet)由施乐(Xerox)公司的帕洛阿尔托研究中心(PARC)于1975年研制成功。 • 在以太网协议基础上，IEEE 802委员会于1983年制订出IEEE 802.3 LAN标准。 • 以太网技术一直随着计算机网络技术在发展，速率不断提高： • 1990年10兆，1995年百兆，1998年千兆，2002年万兆，2006年十万兆

以太网技术的主要特征

IEEE 802.3系列组网技术标准

2.6.2以太网的帧格式 • 以太网的MAC帧格式有两个技术标准，两种标准分别为DIX Ethernet V2 和IEEE 802.3，两者之间的差别仅在第3个字段上。 • 以太网帧的首部与尾部长度之和（所有控制协议字段的长度之和）为18字节。

2.6.3 快速、千兆和万兆以太网技术 • 1995年给出两种不兼容的快速以太网技术标准：100Base-T的802.3u标准；100VG-AnyLAN的802.12标准 • 依据是在数据传输率提高后要保证参数α不变，或保持为较小的数值，公式为： α＝τ／T＝τ／(L/C) ＝(τC)/L

千兆位以太网 • 千兆位以太网的技术标准由IEEE 802.3和IEEE 802.3ab工作组制定 • 千兆位以太网的出现开创了局域网技术发展的里程碑，并使以太网技术迅速成为局域网的主流技术

3、万兆位以太网 • 1999年3月，IEEE成立高速研究组HSSG(High Speed Study Group)，制订10GE（万兆位以太网）的技术标准，2002年6月给出万兆位以太网标准IEEE802.3 ae • 2004年2月通过IEEE 802.3ak，给出技术标准10GBase-CX4 • 2006年6月通过IEEE 802.3an，给出技术标准10GBase-T • 2007年12月，HSSG的工作重点转向IEEE 802.3ba • 以太技术已成功地应用于城域网的设计实现中

2.7 虚拟局域网（VLAN）技术 • 2.7.1 VLAN概述 • 2.7.2 实现VLAN的方式 • 2.7.3 VLAN使用的帧格式 • 2.7.4 VLAN协议与主干连接标准

2.7.1 VLAN概述 • VLAN允许一组不同物理位置的网络用户（网络节点）共享一个独立的广播域 • 在LAN交换机基础上通过网络管理软件，可以构建的可以跨越不同网段、不同网络技术的端到端逻辑网络（VLAN） • VLAN的优点主要包括： • 1、隔离网络广播风暴 • 2、增强了网络安全性 • 3、简化网络管理和维护 • 4、提高网络性能

VLAN的划分 • 各交换机之间的连接需要设置trunk端口，通过交叉线连接，构成交换机之间的主干(trunk)链路，并且在trunk端口封装VLAN协议

2.7.2 实现VLAN的方式 • 实现VLAN的方式有： • 基于端口的VLAN；基于MAC地址的VLAN；基于协议的VLAN；基于网络地址的VLAN；基于定义规则的VLAN。

2.7.3 VLAN使用的帧格式 • 1988年IETF给出支持VLAN的以太网帧格式扩展，称为IEEE802.3ac协议，该协议允许在以太网帧格式中插入一个4字节的VLAN标识字段

2.7.4 VLAN协议与主干连接标准 • VLAN主干(trunk)连接主要采用两种标准。 • 1、IEEE 802.1Q标准 • 2、内部交换链路ISL标准

2.8 路由寻址技术 • 2.8.1 路由技术概述 • 2.8.2 路由和路由表 • 2.8.3 路由选择算法 • 2.8.4 路由协议 • 2.8.5 默认路由 • 2.8.6 层次路由 • 2.8.7 因特网中路由层次 • 2.8.8 因特网中的路由协议 • 2.8.9 NAT技术

2.8.1 路由技术概述 • 路由发生在网络层，是把网络协议包从源穿过网络传递到目的地行为 • 路由包含两个基本动作：路径选择；转发（交换） • 路径选择使用路由选择协议RP(Routing Protocol)，交换使用路由转发协议RP(Routed Protocol) • 两者是互相配合又相互独立的概念 • 前者使用后者维护的路由表 • 后者要使用前者提供的功能来发布路由协议数据分组，通告网络中的路由信息。

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